автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Анализ и прогнозирование электропотребления на предприятиях химической промышленности

Л

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КИСТЕНЕВ Вячеслав Константинович

АНАЛИЗ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук

профессор КГТУ Ю.П. Попов

Красноярск - 1999г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................... 4

1. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ ............................................. 10

1.1. Электрическое хозяйство крупных промышленных предприятий

и его системное описание.................................................. 10

1.2. Тенденции развития электрического хозяйства........................ 16

1.3.Ценологический подход к описанию электрохозяйства промышленного предприятия........................................................................20

1.4.Особенности схем электроснабжения химических предприятий... 29 1.5.Цели и задачи исследования.........................................................39

2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ И СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРАФИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК..................................................................40

2.1. Математическая модель электрического хозяйства промышленного предприятия......................................................................40

2.2. Параметры электропотребления и установленного электрооборудования промпредприятий 51

2.3. Анализ методов прогнозирования параметров электропотребления............................................................................... 58

2.4. Графики электрических нагрузок и их показатели.................. 69

2.5. Выводы по главе.............................................................. 75

3. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ИССЛЕДУЕМОГО ПРЕДПРИЯТИЯ ............................................................. 76

3.1.Анализ системы учета параметров электропотребления в промышленности и выбор источников исходной информации......... 76

-33.2. Исходные данные для проведения исследований..................... 83

3.3. Анализ графиков электрических нагрузок химического предприятия.............................................................................. 86

3.4.Исследование временных рядов коэффициентов графиков электрических нагрузок................................................................87

3.5. Выводы по главе................................................................................................................106

4. ОСОБЕННОСТИ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ГПП,

ИМЕЮЩИХ ТРАНСФОРМАТОРЫ С РАСЩЕПЛЕННОЙ

ОБМОТКОЙ ....................................................................... 107

4.1. Использование ценологического подхода для анализа графиков нагрузок........................................................................ 107

4.2. Анализ электропотребления Г1111 по вводам...........................................116

4.3. Погрешность трансформаторов тока при изменении электропотребления.......................................................................................131

4.4. Методика контроля электропотребления на секциях шин трансформаторной подстанции с трансформаторами с расщепленными обмотками..............................................................................................133

4.5. Прогнозирование параметров электропотребления с помощью рангового распределения................................................... 134

4.6. Выводы по главе.........................................................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................142

ЛИТЕРАТУРА............................................................ 144

ПРИЛОЖЕНИЕ

153

Введение

На современном этапе все большее значение приобретает проблема энергосбережения и рационального использования электрической энергии промышленными предприятиями [19, 23, 24, 32, 36, 42, 48, 49, 54, 58, 65, 73, 84 - 92, 95]. Принципы, положенные в основу нормирования и эне-госбережения в 30-40 г.г. [44, 45, 74] практически без изменения используются и сейчас. Недостаток этих взглядов заключается в убеждении, что для всех видов продукции любой номенклатуры, для любых потребителей электрической энергии, независимо от уровня системы электроснабжения, можно задать все исходные данные и подсчитать некоторую норму.

На крупном промышленном предприятии, к которым относятся предприятия химической промышленности, от одной комплектной трансформаторной подстанции (КТП) питаются порядка 200-300 электродвигателей на напряжении 0,4 кВ и на каждом из них не устанавливаются счетчики электрической энергии [37, 41]. Соответственно от главной понизительной подстанции (ГПП) могут питаться десятки КТП и таких ГПП на крупном предприятии может быть несколько. Поэтому возникает проблема неопределенности и неполноты исходной информации по электропотреблению на низших уровнях системы электроснабжения промышленного предприятия [35, 49, 56]. Наиболее полная информация об электропотреблении имеется на пятом - шестом уровнях, то есть там, где установлены счетчики коммерческого и технического учета.

В связи с вышеизложенным, а также учитывая постоянное повышение тарифов на электроэнергию и повышение доли электроэнергии в материальных затратах на производство, перед энергетическими службами предприятий встала проблема несоответствия показаний счетчиков технического и коммерческого учета. Это несоответствие в денежном эквиваленте на АК "Новомосковскбытхим" достигает сотен миллионов рублей в месяц по состоянию на 1996 г. Этого не наблюдалось при номинальной загрузке

электрооборудования. Наблюдаемый в последние годы спад производства ведет к неравномерности в загрузке потребителей электроэнергии. В момент проектирования каждый из вводов ГПП рассчитывается на максимальную нагрузку при различных режимах и на основе этого выдаются рекомендации по установке измерительных приборов [4, 93]. При этом не учитывается поведение во времени электропотребления по вводам трансформатора, тем более если трансформатор имеет расщепленную обмотку и питает две секции шин на одном напряжении.

Учитывая, что все расчеты, определяющие параметры электропотребления отдельного механизма, станка, агрегата, необходимы при их конструировании для определения паспортных характеристик, и что такое требование становится обязательным при выпуске любого энергопотребляющего оборудования и будет оцениваться по параметрам энергосбережения, то весь комплекс подходов, связанных с определением теоретических расходов (или паспортных) электроэнергии на единицу продукции, сохранится. Этот подход не может быть применен, когда данный станок помещается (устанавливается) в конкретном отделении, участке, цехе, когда его работа обеспечивается множеством технологически связанных механизмов или обеспечивающих комфортные условия труда, экологические и другие требования. В этом случае данная система (отделение, участок, цех, завод) с административными границами, не совпадающими со схемой электроснабжения, с количеством электроприемников, меняющимся во времени, режимом работы и т.д. начинает проявлять техноцено-логические свойства [23,24,35 -42,48,71-73,96,98]. Тогда следует различать определение параметров электропотребления на проектных стадиях, когда объект еще не построен, и для действующего предприятия, когда местоположение счетчиков по уровню системы электроснабжения определено, и расход электроэнергии по любому из них оплачивается конкретным потребителем.

Переход к определению параметров электропотребления для действующего предприятия связан с понятием многономенклатурного произ-

водства [36, 95]. Ранее расход электроэнергии по многим отраслям можно было определять по лизинговому параметру (в металлургической промышленности - сталь, ферросплавы, алюминий). Фактически же любое промышленное предприятие (в том числе химическое), а особенно сейчас, в условиях диверсификации производства и вариофикации видов выпускаемых изделий, характеризуется многономенклатурностью. Определение параметров электропотребления на месяц, квартал, год только по одному обобщающему критерию дает больше чем инженерную ошибку [4, 48].

В нерешенных проблемах электроснабжения и взаимоотношений с энергосистемой сохраняются проблемы определения параметров электропотребления и согласования их с энергосистемой (особенно в части присоединения новой нагрузки и изменения тарифов); расчет применения скидок и надбавок к тарифам на электрическую энергию за потребление и генерацию реактивной энергии, выделение потребителей для 7-12 ступеней разгрузки для каждого предприятия, определения технологической брони для устойчивой работы предприятия в условиях ограничения по величине электропотребления и нагрузки, обеспечение качества электрической энергии, особенно на уровнях 1УР-4УР (решаемые сейчас лишь на5УР-6УР), обеспечение электроремонта в новых условиях.

Диссертационная работа посвящена разработке методики анализа и прогнозирования электропотребления на пятом уровне системы электроснабжения для ГПП, имеющих трансформаторы с расщепленной обмоткой в условиях неравномерности производства.

Работа выполнена на кафедре "Электроснабжение и электрический транспорт" Красноярского Государственного технического университета в соответствии с планом бюджетных НИР.

Целью работы является разработка методики анализа и прогнозирования электропотребления многономенклатурного неравномерно работающего химического предприятия на пятом уровне системы электроснабжения для повышения обоснованности договорных параметров электропотребления на границе раздела предприятие - энергосистема.

В соответствии с целью работы в ней решаются следующие задачи:

1. Анализ временных рядов почасовых нагрузок с выбором оптимального интервала усреднения для оценки показателей графиков нагрузок промышленного предприятия по вводам ГГШ (производствам завода).

2. Определение зависимости между временными рядами показателей графиков по вводам ГПП.

3. Обоснование возможности применения ценологического подхода к исследованию графиков электрических нагрузок.

4. Формализация описания графиков электропотребления вводов главных понизительных подстанций.

5. Выявление причины несоответствия показаний технических и коммерческих счетчиков электрической энергии внутри промышленного предприятия.

6. Разработка методики контроля и прогнозирования электропотребления секций шин трансформаторной подстанции.

Методы исследования. Для анализа показателей графиков электрических нагрузок применялся известный статистический математический аппарат: метод наименьших квадратов, корреляционный анализ и др. Новым математическим методом в данной работе является применение ранговых распределений с характеристическим показателем р. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей, алгоритмов и программ с использованием табличного процессора EXCEL.

Выводы и предложения основываются на результатах анализа показаний счетчиков электрической энергии по четырем вводам двух трансформаторной подстанции ПО "Бытхим" за 44 месяца.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Секции РУ ГПП (5 УР) выделяются как единица для анализа и прогнозирования параметров электропотребления технологического производства.

2. Установлено, что параметры графиков нагрузки вводов не аддитивны.

3. Введены характеристики неравномерности электропотребления по секциям шин, прогнозируемые во времени.

4. Предложен ранговый коэффициент показателей электропотребления как характеристика загруженности вводов.

5. Установлено, что основными причинами несоответствия показаний технических счетчиков электроэнергии в цехах предприятия и коммерческих счетчиков на ГПП являются падение и неравномерность электропотребления по вводам.

6. Доказана временная устойчивость параметров рангового распределения показателей электропотребления секций шин ГПП, что является основой для их прогнозирования во времени.

Практическая ценность работы заключается в создании методических указаний по контролю и прогнозированию электропотребления и неравномерности электропотребления на секциях шин трансформаторной подстанции трансформаторами с расщепленной обмоткой, что позволит оптимизировать загрузку электрического оборудования, добиться улучшения договорных параметров на границе предприятие-энергосистема.

Разработанные методы и подходы к контролю и прогнозированию электропотребления могут быть использованы и для других отраслей народного хозяйства.

Реализация полученных результатов. Методика по контролю электропотребления используется на АК "Новомосковскбытхим", в учебном процессе по курсу "Электромеханика" в ЧГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях в городах Норильске 1996г., Новомосковске 1996, 1998г., Чите 1996г., семинарах во Владивостоке 1997г., Москве 1998г, Красноярске 1998, 1999г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа объемом 153 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 24 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 101 наименования, приложения.

1. Описание системы электроснабжения промышленного

предприятия.

1.1. Электрическое хозяйство крупных промышленных предприятий и его системное описание.

Применительно к параметрам электропотребления существует ряд общих свойств в формировании и развитии электрического хозяйства предприятий [35-42, 68]:

1. Электрическое хозяйство предприятий является устойчивой технической системой. Ее устойчивость отражает эволюционное изменение электрических показателей во времени, которое определяется постоянством структуры установленного электрооборудования как некоторым свойством технической системы. Рост численных значений электрических показателей во времени и наличие закономерностей в их изменениях позволяют прогнозировать развитие электрического хозяйства предприятий на перспективу.

2. Указать количественно оптимальное значение каждого показателя для различных предприятий теоретически не представляется возможным из-за индивидуальности каждого системного объекта. Создание информационной базы данных по электрическому хозяйству предприятий в рамках каждой отрасли позволяет установить диапазон изменения показателей, выявить особенности технологии и электроснабжения, присущие данному предприятию, и оказывать управляющее воздействие на них при оценке функционирования и планирования развития. Наличие статистических данных по электрическим показателям предприятий в условиях эксплуатации позволяет осуществить оптимальное распределение электроэнергии между предприятиями, вести разработку научно обоснованных удельных норм расхода электроэнергии \¥уд и заданий по энергосбережению, снижению энергозатрат для различных видов продукции и др.

При анализе параметров электропотребления необходимо учитывать следующие допущения: А. Электрическое хозяйство есть целое, обладающее количественными характеристиками, которые не сводятся к суммированию элементов и их свойств. Знание об этом не может быть получено на основе исследования и описания свойств отдельных элементов или цепей, составленных из них.

B. Электрическое хозяйство может быть описано иерархически системой показателей, из которых могут быть выбраны показатели, необходимые и достаточные для принятия человеком решения в условиях неопределенной информации и дефицита времени.

C. Процесс принятия проектного решения не формализуем и должен осуществляться на основе профессионально-логического анализа в экспертном режиме САПР. Решения должны опираться на устойчивость развития электрического хозяйства и на устойчивость его структуры.

Построение и функционирование электрического хозяйства в целом опирается на следующие постулаты:

1. Существует достаточно много систем отсчета, относительно которых два электрических хозяйства могут быть равноправны и неравноправны. Введение иерархической системы показателей есть соглашение -конвенционный акт.

2. Состояние электрического хозяйства в любой момент времени не определимо системой показателей тождественно точно. Чем больше параметров и точнее каждый из них определяется, тем менее точно для каждого времени описывается система.

3. Для электрического хозяйства существует направленность развития, исключающая обратимость. Пространство кусочно анизотропно.

Учет параметров электропотребления осуществляется для предприятий, производств, цехов, реже отделений. Для щитов второго уровня (2УР) учет электроэнергии, требующий затрат, не только связанных с установкой счетчика, в большинстве случаев экономически не оправдан.

Убедительное сравнение параметров может производиться для потребителей на уровне производства (ГПП-5УР и цеха-4УР) при технологически близком способе выпуска продукции [36, 94,95].

Электропотреблен�